Influence du contexte sédimentaire et de la diagenèse sur les propriétés pétrophysiques du Dogger calcaire de l'Est du Bassin de Paris - Biogéosciences-Dijon Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Sedimentological and diagenetic influences on low permeability properties of the Middle Jurassic limestones (Paris Basin, France)

Influence du contexte sédimentaire et de la diagenèse sur les propriétés pétrophysiques du Dogger calcaire de l'Est du Bassin de Paris

Benjamin Brigaud

Résumé

A detailed sedimentological, geochemical and mineralogical study is carried out on the Early Bajocian to Early Callovian (Middle Jurassic) limestones of the Paris Basin. Deposits include 18 lithofacies which are stacked into 10 third-order depositional sequences. Our geochemical study including a compilation of bibliographic data allows us to refine the existing sea surface palaeotemperature pattern. A cooling from the latest Early Bajocian to the Late Bajocian and a subsequent warming from the earliest Callovian to the Early/Middle Callovian transition are described using a proxy of sea surface temperatures. Together with δ13C and mineralogical data, our new δ18O values suggest a palaeo-climatic/palaeo-environmental control of facies in this shallow carbonate ramp environment. Using petrographic and geochemical analyses (stable O and C isotopes, Sr isotopes, major elements), we identify six calcitic spar stages, two dolomite stages, and several episodes of fracturing and stylolitization ordered in paragenetic sequence, reducing significantly the porosity during the burial diagenesis. Cement quantification shows the predominance of two blocky calcite cement stages (75% of total cementation). Lateral meteoric recharge may have occurred as a result of two separate uplift events (Late Cimmerian Unconformity and Late Aptian Unconformity) and the related exposures of carbonates to the north of the study area during the Early Cretaceous. This palaeohydrological circulation brought about a significant reduction of porosity (from 40% to 10%) through calcite cement precipitation. Two porous levels (PL1 and PL2; Φ=15-20%) are detected at the top of the Dogger formation (Calcaire de Chaumont –Bathonian) in the study area. They form the carbonate reservoir levels. Their permeability is variable: high for PL1 (k=100-700mD) corresponding of macroporous grainstones (deposited in a ooid shoal), and low for PL2 (k=0,1-1mD) within muddy facies dominated by intercrystalline microporosity (deposited in protected lagoon). The sedimentological and diagenetic study shows the existence of PL1 and PL2 can be summarized in 3 stages: (1) lithification and early mineralogical stabilization (aragonite and high magnesium calcite to low magnesium calcite) below exposure surfaces (SB7 and SB8) which rigidify the sediment (grainstone or micrite), prevent compaction and favor the preservation of the primary porosity; (2) low meteoric recharges and cementation (Bc1 and Bc2) during the Cretaceous due to the Marnes à Rhynchonelles, acted as a lateral permeability barrier, which prevent lateral phreatic circulations and cementation at the top of the Dogger formation; (3) very low hydrothermal circulations and cementations (dolomite, Bc3 and fuorite) during the Oligocene. These 3 factors were combined only in PL1 and PL2, on a very low thickness (20 m) compare to the 210 m completely compacted and/or cemented forming the the Dogger.
A l'Est du Bassin de Paris, les carbonates du Dogger présentent habituellement de faibles porosités et perméabilités, en relation notamment avec une intense cimentation sparitique et d'importants phénomènes de pression-solution (stylolitisation). Il existe néanmoins quelques exceptions à cette tendance : des niveaux réservoirs sont recensés au toit de séquences de dépôt réputées émersives. Pour comprendre la répartition des propriétés pétrophysiques du Dogger calcaire, ce travail de thèse basé sur une étude sédimentologique, diagénétique, géochimique et pétrophysique, se propose d'examiner les influences de la diagenèse précoce puis de la diagenèse tardive sur les propriétés réservoirs dans ces carbonates. L'analyse sédimentologique d'un grand nombre de coupes et de 4 forages carottés répartis sur un profil Langres-Nancy révèle 18 faciès attribuables à 5 environnements de dépôts caractéristiques d'un profil de rampe carbonatée. Ces 4 intervalles sont marqués par des producteurs carbonatés et par des morphologies de rampe différents. Les δ18O et δ13C des fragments biogènes et l'évolution des cortèges argileux suggèrent que des changements environnementaux tels que la température, l'humidité et la pCO2 ont, en partie, contrôlé l'existence de ces intervalles bio-sédimentaires. Huit phases minérales mésogénétiques comprenant 3 générations de calcite, de la pyrite, de la silice, 2 générations de dolomite et de la fluorine se sont succédées depuis le Jurassique moyen, réduisant la porosité intergranulaire. En moyenne 70 % du volume de ces ciments sont formés par 2 zones successives de sparites de blocage (Bc1 et Bc2). Leurs signatures isotopiques indiquent des circulations de fluides parents météoriques ou mixtes probablement liées aux émersions du Crétacé inférieur. Les analyses pétrophysiques ont confirmé les faibles porosités et perméabilités générales de l'Est du Bassin de Paris (φ<5% and k<0.5mD). Toutefois, ces analyses pétrophysiques ont mis en exergue la présence de deux niveaux poreux (Niveau Poreux 1 et Niveau Poreux 2) situés dans la partie supérieure du Dogger calcaire. D'une dizaine de mètres d'épaisseur, ces niveaux poreux ont une porosité dépassant 15%. Leur perméabilité est variable, elle est élevée (k=100-700mD) lorsque les niveaux sont macroporeux et correspondent à des grainstones de shoals oolitiques, elle est faible (k=0,1-1mD) lorsque les faciès sont boueux (dépôts de lagon protégé) et dominés par de la microporosité inter-cristalline. L'architecture stratigraphique issue de l'étude sédimentologique permet de supposer que celle-ci a joué un rôle sur le positionnement des niveaux poreux au sommet du Dogger. En effet, le modèle stratigraphique montre la présence d'un écran imperméable marneux positionné latéralement aux calcaires du sommet du Dogger. Cet écran marneux a pu perturber ou empêcher les recharges en eaux météoriques, pouvant expliquer le sous-développement des ciments de blocage dans ces niveaux poreux du sommet du Dogger. L'étude intégrée sédimentologique et diagénétique montre que l'existence des niveaux poreux réservoirs (NP1 et NP2) semble tributaire d'une histoire sédimento-diagénétique particulière qui peut être résumée en 3 actes : (1) lithification et stabilisation minéralogique précoce sous des surfaces d'émersion (SB7 et SB8), rendant le sédiment résistant aux phénomènes de compaction et pression-solution ; (2) faibles recharges météoriques au Crétacé en raison de l'écran latéral formé par les Marnes à Rhynchonelles (Bathonien), empêchant le développement de ciments de blocage dans le sommet du Dogger (3) faibles recharges hydrothermales et cimentations associées durant l'Oligocène. Ces 3 facteurs ne se sont conjugués qu'au niveau de NP1 et de NP2 (niveaux réservoirs), sur une épaisseur cumulée de moins de 20 m, à comparer aux 210 m totalement compactés et/ou cimentés formant le reste du Dogger (niveaux non-réservoirs).
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tel-00503241 , version 1 (18-07-2010)

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Citer

Benjamin Brigaud. Influence du contexte sédimentaire et de la diagenèse sur les propriétés pétrophysiques du Dogger calcaire de l'Est du Bassin de Paris. Géochimie. Université de Bourgogne, 2009. Français. ⟨NNT : 2009DIJOS040⟩. ⟨tel-00503241⟩
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